折彎機靜態分析與結構改進設計*

陳 敢

(揚州市職業大學，江蘇 揚州 225100)

0 引言

數控折彎機是比較常見的鍛壓機械，其主要功能是將金屬材料變成所需要的幾何形狀[1,2]。目前數控折彎機在我國有了較大的發展，有許多公司進行了數控折彎技術的研究開發，其中黃石鍛壓機床廠生產出了數控三點板料折彎機，而上海新力機械廠生產出了WD67K02-100/3200系列數控板料折彎機[3]。雖然國內不斷致力于折彎機的研究，并且取得了不俗的成績，但與國外著名的折彎機公司相比較其開發的產品還有一定的差距，在產品的性能和質量上還需要不斷的提高改進[4]。

1 數控折彎機結構介紹

本文所研究的折彎機主要是由機身、油缸、滑塊、工作臺以及上、下模具組成，其主要參數為：滑塊長度3 200 mm，滑塊厚度40 mm，滑塊行程200 mm；油缸活塞直徑150 mm；工作臺外形尺寸(長×寬×高)為3 200 mm×800 mm×400 mm。

1.1 建立有限元模型

本文運用SolidWorks軟件建立數控折彎機三維模型，然后導入到Workbench有限元分析軟件中。根據折彎機的工作情況及結構特點，對折彎機三維模型作出以下簡化處理：①忽略一些小孔和尺寸細小的部分；②將底板地腳螺栓固定視為剛度無限大，將地腳螺栓與地面看作固定約束；③由于導軌和滑塊之間沒有力，因此將導軌作為自由面；④將焊件和鍛件的強度假設為相等[5]。簡化后的折彎機三維模型如圖1所示。

圖1 簡化后的折彎機模型

1.2 劃分網格

由于折彎機的機身一般是由板和殼組成，在受力過程中基本變成拉壓狀態和彎曲狀態兩種形式，因此可選擇殼單元或者板殼單元。但是這種類型的單元，它們的節點自由度是不一樣的，同時不同材料的連接度也是不一樣的，因此選擇殼單元建立有限元分析不現實，所以選取自動劃分網格的方法。網格劃分后折彎機機身有限元模型總共有169 950個單元。圖2為機身有限元網格模型。

圖2 機身有限元網格模型

1.3 邊界約束和載荷施加

折彎機在工作時，通常機架是被固定的，因此將機架的地面設置為固定約束；在折彎機折彎過程中，滑塊做上下往復運動，但滑塊在左右、前后方向不運動，因此對接觸部位左右、前后方向采用固定約束，上下方面采用線約束。

本文研究的是折彎機在滿載100 t狀態下的變形和應力情況。從實際工作條件中得出折彎機的受載通常分為以下3種工況：①工況一，工件全長，即3 200 mm；②工況二，工件中置，工件長度為全長60%即為1 920 mm；③工況三，工件偏置，工件長度為全長60%即1 920 mm。由數控折彎機參數可知，單個液壓缸的滿載壓力為50 t。工況一時工作臺臺面的壓力為5.1×106N/m2；工況二時工作臺臺面的壓力為8.5×107N/m2；工況三時工作臺臺面的壓力為8.5×107N/m2。工況一時滑塊下底面受到壓力為5.1×106N/m2；工況二時滑塊下底面受到的壓力為8.5×107N/m2；工況三時滑塊下底面受到的壓力為8.5×107N/m2。由于折彎機由多塊Q235鋼板焊接而成，則密度設為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa。

2 計算結果分析

經分析可知該折彎機在操作過程中主要的變形方向是Y方向，Y方向的變形對折彎機整體的精度影響很大，因此本文主要對Y方向變形進行研究。工況一時得到的機身、滑塊、工作臺位移及應力云圖如圖3～圖8所示。

圖6 滑塊等效應力云圖 圖7 工作臺Y方向位移云圖 圖8 工作臺等效應力云圖

三種工況下計算出來的結果如表1所示。

表1 計算結果匯總

從表1可以得到：工件長度為全長60%時，滑塊在工件偏置時產生的位移較大，最大值為0.26 mm，這表明折彎機在工作過程中，應該要使工件中置，這樣可以避免滑塊一端受載的情況。由表1也可以看出：工作臺的變形也與受載的部位有關，在工件中置時受載工作臺變形大；工件偏置，工作臺變形相對較大；工件全長受載時，產生的變形最小。所以在不能保證全長受載的情況下，首先要考慮工件偏置情況。從表1還可以看出：在不同的工況下，滑塊最大等效應力也不同，在工件全長情況下應力最大為105.3 MPa，在工件中置時最大應力值為106.2 MPa，在工件偏置時最大應力值為154.3 MPa，在三種工況下滑塊處最大應力值雖然均符合強度條件，但是數值比較大。為了提高折彎機加工精度以及折彎強度，需對折彎機滑塊部分進行局部改進設計。

3 結構改進

對滑塊受載進行分析，得到的應力數值偏大，需提高局部強度。從分析結果看主要對滑塊、工作臺進行局部改進設計，以達到提高加工精度和使用強度的目的。

3.1 工作臺改進設計

由表1可知，工件全長時工作臺變形是0.41 mm，工件中置時工作臺變形是0.50 mm，工件偏置時工作臺變形是0.46 mm。由應力分析可知，工件中置時工作臺所受等效應力最大。考慮到工作臺的厚度對整機的精度有很大影響，故對工作臺局部進行改進設計。將工作臺厚度由400 mm加厚至600 mm時，工件中置時，工作臺變形由0.50 mm降低為0.47 mm，工作臺等效應力由52 MPa降低到34 MPa，因此，增加工作臺厚度可以大大提高整機的工作精度。

3.2 滑塊改進設計

經過分析可知工件偏置時滑塊應力值較大，達到154 MPa，應力大的原因在于滑塊和油缸的連接處有方形孔，所以在受力過程中，此處較為薄弱，因此改變方形孔的厚度，將其上部的厚度增加15 mm，如圖9所示，滑塊其他的部位不作任何調整。

圖9 滑塊肩部的加厚處理

通過增加方形孔的厚度，工件偏置時的最大應力值從154 MPa降低到84.2 MPa，提高了整機的強度。從中也可以了解到，在滑塊比較危險的位置，想要加強強度，需要增加厚度來改善滑塊比較脆弱地帶的應力狀況。同時，在滑塊受載的情況下，盡量選擇工件全長和工件中置進行加工，避免偏載情況的出現，從而影響折彎機整機的精度。

3.3 整機局部結構改進后的分析結果

將折彎機的工作臺和滑塊的局部改進設計進行組合得到工件全長下的計算結果，表2為折彎機機身結構改進前后計算值。

通過表2分析得到，折彎機的機身總位移變小，喉口處、滑塊處以及工作臺的應力值都變小，從而達到了折彎機機身局部改進設計的目的。

表2 折彎機機身結構改進前后計算值

4 結束語

本文先利用SolidWorks軟件建立折彎機三維模型，然后再運用Workbench分析軟件對數控折彎機機身進行有限元分析，得到機身整體的應力和位移情況，發現工作臺和滑塊結構較薄弱位置，然后針對工作臺和滑塊薄弱環節進行局部改進設計，最終提高了折彎機整體強度和剛度，提高了折彎機在工作過程中的折彎精度。